„Fliegende“ Exzitonen, die durch akustische Oberflächenwellen (SAWs) im Gigahertz (GHz)-Bereich angetrieben werden, sind hervorragende Boten, die diese Anforderungen erfüllen. Eine wesentliche Herausforderung beim Implementieren fliegender exzitonischer Quantenbits ist die Präparation von Zwei-Niveau-Zuständen für einzelne Exzitonen, die durch einen Transportkanal miteinander verbunden sind. In diesem können die Teilchen dann gespeichert, manipuliert und in einzelne Photonen umgewandelt werden. Forscher des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik haben jetzt mit internationalen Partnern einen großen Schritt in diese Richtung gemacht: Sie haben das ferngesteuerte Pumpen von Einzelexzitonenzentren durch fliegende indirekte Exzitonen, die durch GHz-SAWs angetrieben werden, in einer Galliumarsenid (GaAs)-basierten Halbleiterplattform demonstriert. Außerdem können die Zentren der hochfrequenten (3,5 GHz) akustischen Pumprate folgen, was zur Emission von mit der akustischen Phase synchronen Einzelphotonen führt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „ACS Photonics“ erschienen.
Die hier verwendeten SAWs sind mechanische Schwingungen, die sich entlang der Oberfläche eines Festkörpers bewegen. Man kann sie sich als mikroskopische Erdbeben auf einem Chip vorstellen. Die durch das Mikrobeben hervorgerufene dynamische Verformung verändert die Eigenschaften eines Halbleiters und kann ein bewegtes Potenzial zum Einfangen und Transportieren von Exzitonen (neutrale Elektron-Loch-Paare, die intern durch die Coulomb-Kraft gebunden sind) erzeugen. Diese einzigartige Eigenschaft kann für die kontrollierte Übertragung von Informationen zwischen entfernten Orten auf einem Chip ausgenutzt werden, bei der „fliegende“ Exzitonen als Boten genutzt werden. Die Untersuchungen wurden an einer epitaktischen (Al,Ga)As-Heterostruktur durchgeführt, die aus zwei durch eine dünne Barriere getrennten GaAs-Quantentöpfen besteht. Das Anlegen eines transversalen elektrischen Feldes über die Strukturen erzeugt einen speziellen Typ von Exzitonen – sogenannte indirekte Exzitonen –, bei dem sich das Elektron und das Loch in jeweils unterschiedlichen Quantentöpfen befinden.
Die fliegenden Exzitonen werden dann losgeschickt, um ein entfernt gelegenes Zwei-Niveau-Zentrum für Exzitonen zu pumpen, das aus einem flachen in die Quantentöpfe eingebetteten Verunreinigungszentrum besteht (hier als DB-Zentrum bezeichnet). In Halbleitern gibt es viele Verunreinigungen. Einige von ihnen können einzelne Exzitonen einfangen und speichern. Sie können also als Ein-Photonen-Quellen fungieren, die jeweils ein Photon aussenden. Anders als die alltäglichen Lichtquellen in unserem Haushalt, die Bündel von Photonen auf einmal erzeugen, ist die Emission von Einzelphotonen nicht klassisch und bildet die Grundlage für die photonenbasierte Quantenkommunikation. Mit den Untersuchungen wurde gezeigt, dass die DB-Zentren effizient durch fliegende Exzitonen, die durch die Hochfrequenz-SAW transportiert werden, bevölkert werden können. Noch wichtiger ist, dass die gepumpten DB-Zentren Einzelphotonen mit einer Rate von 3,5 GHz emittieren, die durch die akustische Frequenz bestimmt wird, womit sie zu einer der schnellsten bisher realisierten Einzelphotonenquellen werden.
Die Ergebnisse demonstrieren die Machbarkeit der Exzitonenmanipulation sowie von exzitonenbasierten, hochfrequenten Einzelphotonenquellen, die durch akustische Wellen angetrieben werden. Sie ebnen auch den Weg für den On-Chip-Transfer von Quanteninformation zwischen verschiedenen Orten mit einer elektrischen zu optischen Schnittstelle.
